[發明專利]一種單向疊層結構碳纖維增強碳化硅/鋁基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202011522023.0
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN114645226B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 陳照峰;李遠豪;楊麗霞
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C22C47/20
• 分類號: C22C47/20;C23C16/26;C23C16/32;C23C14/35;C23C14/18
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本發明公開了一種單向疊層結構碳纖維增強碳化硅/鋁基復合材料及其制備方法，該復合材料由單向碳纖維布、熱解碳界面層、碳化硅和鋁合金基體組成，密度為1.8～2.5g/cm³，抗拉強度為300～450MPa；碳化硅基體可以提高該復合材料的耐受溫度，同時可以減少碳纖維和鋁合金基體之間由于熱膨脹系數差異引起的殘余熱應力；磁控濺射制備鋁合金基體可以改善鋁合金和碳化硅之間的潤濕性，有效改善二者界面結合強度；擴散粘結可以使鋁合金基體更好的填充到孔隙中去，使復合材料致密度提高，從而提高其抗拉強度。

技術領域

本發明涉及一種單向疊層結構碳纖維增強碳化硅/鋁基復合材料及其制備方法。

背景技術

纖維增強陶瓷基復合材料密度低、比強度高、耐腐蝕、耐高溫，被廣泛應用于航空航天、衛星等領域。然而因為其制備工藝的限制，其中存在的孔隙、微裂紋等缺陷使得其性能不穩定，而且陶瓷基復合材料的斷裂韌性仍需進一步提高。

纖維增強鋁基復合材料比強度高、比剛度高、耐沖擊性能好，已被廣泛應用于航空航天、衛星等領域。但是由于服役環境通常較為苛刻，且鋁合金基體在高溫下(300℃)就會面臨軟化的問題，剛度嚴重下降，因此無法滿足各個方面的要求。

鋁合金熔融溫度低且熔融狀態下粘度較低，可以有效的填充到纖維增強陶瓷基復合材料的孔隙和缺陷中，進而提高傳遞載荷的能力，有效地降低裂紋源以減少應力集中的發生。鋁合金具有比強度高、比模量高、耐沖擊性好、塑性好的優點，而且鋁合金在熔融狀態下的粘度較低、熔融溫度也較低(小于800℃)，可以有效填充到纖維增強陶瓷基復合材料的孔隙和裂紋中，從而降低裂紋產生源及提高載荷傳遞能力。

以碳纖維預制體為骨架，碳化硅和鋁合金作為基體，制備出纖維增強雙基體復合材料，不僅可以彌補纖維增強鋁基復合材料高溫性能的不足，也能改善纖維增強陶瓷基復合材料斷裂韌性和塑性不足的缺陷。此外，鋁合金和碳纖維的熱膨脹系數差別較大，潤濕性較差，這也會影響到其性能。

申請公布號為CN106478125A的中國發明專利公開了一種B₄C改性C/C-SiC剎車材料的制備方法，采用真空壓力浸漬法將B₄C粉料引入到密度為0.4～0.6g/cm³三維針刺碳氈中，后用化學氣相滲透及反應熔體滲透制備了C/C-SiC剎車材料。

申請公布號為CN105818476A的中國發明專利公開了一種表面改性三維網絡碳纖維增強復合材料及制備方法，將三維碳纖維骨架表面預處理后現后通過化學氣相沉積金剛石、碳納米管、石墨烯，然后金屬或聚合物，獲得帶有三維網狀骨架結構的碳纖維增強金屬基或聚合物基復合材料。

上述合金改性陶瓷基復合材料或者陶瓷改性金屬材料雖然可以提高被改性材料的性能，但是都沒有改善陶瓷和金屬兩異種材料的界面相容性，同時也沒有有效降低陶瓷基復合材料中的孔隙率及減小缺陷，從而無法真正發揮陶瓷基復合材料和合金材料的性能，也無法發揮合金對陶瓷基復合材料的增韌補強的作用。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出一種單向疊層結構碳纖維增強碳化硅/鋁基復合材料及其制備方法，有效的改善了陶瓷基復合材料和鋁合金的界面相容性，提高了鋁合金和陶瓷基復合材料的結合強度和結合穩定性。

一種單向疊層結構碳纖維增強碳化硅/鋁基復合材料及其制備方法，其特征在于包括下述順序的步驟：

(1)將單向碳纖維布用無水乙醇超聲清洗并烘干；

(2)采用化學氣相滲透法在烘干的纖維布中制備一層熱解碳界面層，丙烯和氬氣的流量之比為60∶150，沉積溫度為800～1000℃；后用化學氣相滲透法在制備好熱解碳界面層的單向碳纖維布中1100～1200℃下原位填充碳化硅基體，三氯甲基硅烷、氫氣和氬氣的流量之比為20∶200∶200，得到纖維/碳化硅基體預成型體；